Grafen: zázračná forma uhlíku překvapuje

Karel Javůrek  |  Věda

Teprve před několika lety realizovaná forma uhlíku využívá pokroku v oblasti nanotechnologie. Grafen ukazuje netušené možnosti, které mění náš pohled na materiály.

Uhlík je jedním z nejrozšířenějších chemických prvků ve vesmíru a jsou z něj ve velké míře tvořeny i organismy na naší planetě, včetně lidí. Uhlík je v podobě různých sloučenin také základem naší současné energetické soběstačnosti.

Uhlík má spousty forem. Každý jistě zná grafit (tuha) nebo diamant. Jednou nejnovějších forem je pak grafen, který se běžně v přírodě nevyskytuje, ale má až zázračné vlastnosti.

Grafen a dvourozměrná dokonalost

První náznaky několikavrstvého grafenu se datují do minulého století, první podrobnosti o jednovrstvé formě tvořené pouze atomy uhlíku byly popsány již v roce 1962. Téměř polovinu století ale trvalo, než se tato forma dočkala skutečné realizace a dalšího významného zkoumání.

Grafen: dvourozměrná šestiúhelníková vrstva o tloušťce jednoho atomu uhlíku připomíná včelí plástev. Zdroj: AlexanderAlUS, Wikipedia
Grafen: dvourozměrná šestiúhelníková vrstva o tloušťce jednoho atomu uhlíku připomíná včelí plástev. Zdroj: AlexanderAlUS, Wikipedia

První skutečně efektivní výrobu grafenu představili fyzici teprve v roce 2004. Od této doby se tomuto materiálu začaly věnovat stovky dalších vědců. Grafen se totiž chová zcela jinak než běžně vyskytující se materiály.

V roce 2008 se cena tohoto materiálu kvůli náročné a složité výrobě pohybovala na neuvěřitelné hodnotě kolem 100 milionů dolarů za centimetr čtvereční. S novými technologiemi umožňující snadnější výrobu i ve větším množství se cena velmi rychle dostala na mnohem menší řády. Již v roce 2009 se pohybovala kolem sta dolarů za čtverečný centimetr.

Grafen patří mezi nejpevnější materiály na světě. Je více než 200× pevnější než železo, zároveň je i tvrdší, lehčí a snadno recyklovatelný. Grafen má také nesrovnatelně lepší vodivost, tedy minimální odpor 1 µΩ/cm při pokojové teplotě. Elektrony se proto tímto materiálem šíří vysokou rychlostí. Pro srovnání: křemík, který se používá na výrobu všech čipů, dosahuje pohyblivosti elektronů přibližně 1 400 cm2/Vs, zatímco grafen až 200 000 cm2/Vs. Známé uhlíkové nanotrubičky, což je grafen s válcovou strukturou, se pak pyšní hodnotu kolem 100 000 cm2/Vs.

Kvůli těmto vlastnostem se o grafenu uvažuje jako o materiálu, který může být základem budoucích čipů.

Udělejte si grafen doma. Tedy lépe řečeno něco, co má ke grafenu trochu blíž než grafit:

Tranzistor s terahertzovou frekvencí

Teoretické předpoklady dávají grafenovým tranzistorům možnost pracovat až s frekvencemi v řádu terahertzů. Společnost IBM, která se zabývá vývojem technologie i čipů, grafen velmi podrobně zkoumá a docílila již mnoha velkých milníků.

Například v roce 2010 se jí podařilo vyrobit 240nm tranzistor s frekvencí 100 GHz. Ve stejném roce však inženýři použili i pokročilejší technologii výroby (40 nm) a výsledkem byl funkční tranzistor s frekvencí 155 GHz.

Vyrovnané pole grafenových tranzistorů. Zdroj: University of California
Vyrovnané pole grafenových tranzistorů. Zdroj: University of California

V nejbližší době ale nelze uvažovat o tom, že by grafen brzy nahradil současný a prověřený křemík. K této problematice se vyjádřil Intel i IBM. Grafen má totiž velmi malý poměr propustnosti, vyrobený tranzistor proto nelze zcela vypnout nebo snížit jeho vodivost na takovou hranici, aby bylo možné snadno a přesně odlišovat dva stavy 0 a 1. Křemík je přitom v této oblasti ideální a velmi prozkoumaný.

To však neznamená, že se grafen v oblasti čipů v budoucnu nevyskytne. Lze ho totiž použít na jednodušší části (například obvody RF) a v budoucnu se může stát základem nových forem čipů, které budou pracovat na zcela jiných principech, než ty současné.

Efektivní solární články

Jeden z nejnovějších objevů v oblasti použití grafenu se týká jeho termoelektrických vlastností. Ve studii, za kterou stojí vědci z MIT, se totiž podařilo objevit, že je grafen schopen produkovat elektrickou energie ze světla.

Toto chování sice není žádnou novinkou, ale vědci si do současné doby mysleli, že se jedná o klasický fotoelektrický jev. Při osvícení grafenové vrstvy ale dochází k rozdílu teploty, což následně vytváří proud. Tento jev se nazývá hot carrier a je velmi vzácný. Vzácný z toho pohledu, že tento jev bylo možné pozorovat pouze u materiálů při teplotě blízké absolutní nule.

U grafenu se ale totéž děje i při běžné pokojové teplotě, přičemž stačí i velmi slabý zdroj světla a dokonce i s různou frekvencí. Křemíkové fotovoltaické články jsou přizpůsobeny pouze pro určité omezené frekvence elektromagnetického záření, jejich schopnost přeměny energie je tak z celkového spektra velmi malá.

Budoucnost patří grafenu a dalším neznámým materiálům

Vědci objevují neuvěřitelné vlastnosti tohoto uměle vyrobeného materiálu a možnosti použití jsou stále bohatší. Mohlo by dojít k výraznému zlepšení efektivity solárních článků, aby dokázaly přeměnit energii z velkého spektra, včetně například infračerveného. To může znamenat důležitý vývoj i v oblasti snímacích čipů pro světlo, teplo nebo i chemické sloučeniny (kombinace s DNA), které mohou být přesnější a zároveň i menší. Grafen může také posloužit pro rychlejší a levnější sekvencování DNA.

Grafen ukazuje, že pokroky v oblasti nanotechnologie mají obrovský dopad na budoucnost. Lidstvo se nespokojuje se současnými chemickými prvky a přírodními materiály, ale vyrábí si vlastní a pokročilejší, než podobné formy v přírodě. Díky tomu lze teoreticky vytvořit i technologie, které jsou zatím pouze v imaginárních představách, například supravodič při pokojové teplotě a další podobné materiály. Mezi novinky patří i zvláštní vlastnosti částic třívrstvého grafenu.

Jak je vidět, i z jednoduchého a hojného chemického prvku, jako je uhlík, lze vyvinout velmi pokročilé formy, které boří dřívější představy.

Nejčtenější